考虑损伤累积的大跨空间网壳结构稳定性分析及抗倒塌措施研究

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本文基于ABAQUS有限元分析软件,以大跨空间凯威特网壳结构为研究对象,首先考虑几何和材料双重非线性,深入分析了该结构类型在静载作用下的屈曲行为以及在不同杆件截面强度、结构矢跨比、材料初始缺陷、结构底部的支座约束等条件下结构静力响应,研究得出静力作用下分析网壳静力稳定性时,需尽可能多分解此类结构的振型,以便综合考虑各阶屈曲模态的组合情况;画出荷载-位移曲线可更清晰直观地表达出结构各个参数变化对其静力稳定性能的影响规律,考虑几何和材料双重非线性的运算结果更接近工程实际情况;网壳对构件外径的敏感程度将远高于壁厚,故可适当在网壳结构的薄弱区域或易损区域适当增强构件截面强度;随结构矢跨比的增大,结构在静载作用下的静力稳定性能显著提高;网壳结构为缺陷敏感型结构,网壳极限承载力随结构初始缺陷的减小而依次增大,但增大的趋势越来越缓慢;结构底部支座的类型及约束数量对网壳极限承载力的影响非常小,但支座约束数量减半后,结构的失稳现象更为明显。然后引入材料损伤模型,推导瑞利阻尼系数的计算公式,分析该类型网壳在不同维数地震波下其动力响应的差异,研究得出网壳在多遇地震下,仅X向地震波对结构的动力响应指标可以作为工程设计安全的主要依据,但在罕遇地震下,由于三向地震波对结构动力响应的复杂性,综合考虑三向地震波更符合实际情况。基于增量动力分析(IDA)方法,考虑材料微观损伤时结构的动力响应比不考虑时降低了20%左右,塑性单元的比例上升10%左右;考虑损伤后初始几何缺陷使得网壳的动力响应最大降低了30%左右;结构底部支座约束的数量减半后,材料损伤累积效应使得结构的动力响应降低10%左右;在有限元模拟过程中发现结构的屈服单元以及最大节点位移几乎均发生在网壳结构的第一至第四环内,得出凯威特网壳的倒塌往往是在结构的薄弱部位由材料损伤引起构件破坏直至结构倒塌,因此需加强结构的薄弱环节。从前面的研究得出结构在荷载作静动载作用下的薄弱部位主要集中在结构底部的第一环至第四环,并针对薄弱部位提出各类加强措施及最优方案。结果表明直接增强杆件截面的强度,可提高结构的极限承载力,增强网壳薄弱部位的斜杆截面对网壳抗震的提升效果比环杆更好;增设网壳局部主肋双层对提高结构的抗震效果远远大于环杆双层;当使用粘滞阻尼器的时,采用“替换”方式其减震效果明显优于“附加”方式,另外针对不同的建筑结构,存在一个最优阻尼系数;屈曲约束支撑不同的加设方案对结构的减震效果影响不同,最优方案下的网壳抗倒塌能力可提高13.3%。
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